掺铜的生物质衍生碳量子点改性的BiOBr/g-C?N?光催化剂，用于清除抗生素、耐抗生素细菌及其耐药基因

《Journal of Cleaner Production》：Cu-doped biomass-derived carbon quantum dot modified BiOBr/g-C 3N 4 photocatalyst to eliminate antibiotics, antibiotic resistant bacteria, and resistance genes

光催化材料Cu-CD/BOV/ECN通过静电自组装提升过二硫酸盐活化效率，实现抗生素（97.8%去除率/40min）、抗药性细菌（7.31log10灭活/30min）及基因（3.66log10减少/180min）高效降解，DFT证实Cu-CD增强PDS吸附活化与内电场效应，长期运行稳定性优异，为抗生素污染治理提供新策略。

　　
本研究针对水体中抗生素、抗药性细菌及抗药基因污染问题，提出了一种基于过硫酸盐（PDS）光催化活化的新型复合材料。通过将生物质来源的铜掺杂碳量子点（Cu-CD）与BiOBr/g-C3N4异质结复合，构建出具有高效电荷分离和增强内部电场的催化体系。该催化剂在可见光激发下展现出显著的环境修复性能，能够快速降解抗生素、灭活耐药菌并抑制基因水平转移。

研究团队通过电化学自组装技术制备了Cu-CD/BOV/ECN复合催化剂，其创新性体现在三个方面：首先，利用生物质稻秆制备碳量子点，既降低原料成本又减少环境负担；其次，通过铜掺杂增强材料的光电特性，实验显示该催化剂的矿化效率比未改性样品提高近两倍；最后，构建了"催化剂-氧化剂-光源"协同作用体系，突破传统光催化技术效率瓶颈。

在污染物去除方面，系统展现出卓越的效能。针对氧四环素（OTC）的降解实验表明，在光照和PDS存在的条件下，催化剂能在40分钟内实现97.8%的污染物去除率，矿化效率达到80.5%。对于抗药性细菌的灭活，系统在30分钟内使细菌数量降低7.31个数量级，远超常规消毒方法。特别值得关注的是，该体系对基因的水平转移具有显著抑制作用，基因拷贝数在180分钟内下降3.66个数量级，这为阻断耐药基因传播提供了新思路。

材料性能优化方面，研究揭示了多组分协同作用机制。BiOBr的三维花状结构提供了丰富的活性位点，与g-C3N4的纳米片层结构形成异质结界面，通过内置电场促进电荷分离。Cu-CD的引入不仅增强了材料的导电性（电导率提升约15%），更重要的是构建了动态电荷传输网络。密度泛函理论计算证实，Cu-CD能显著降低PDS的吸附能，使硫酸根自由基（SO4·?）生成效率提高3.2倍。这种协同效应在连续运行600分钟后仍保持90%以上的降解效率，验证了材料的高稳定性。

机理研究揭示了多路径协同作用机制。实验发现催化剂表面同时存在两种活性中心：BiOBr主导的氧化还原活性中心（涉及Cu2+掺杂位点）和g-C3N4辅助的光生电子捕获位点。在光照条件下，g-C3N4吸收可见光（可见光响应范围扩展至420nm）产生电子-空穴对，其中电子被Cu-CD捕获形成稳定载流子，空穴则与BiOBr表面活性位点结合增强氧化能力。这种双通道协同机制使PDS的氧化效率提升约40%，同时产生的羟基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO4·?）形成协同氧化网络。

在抗药基因抑制方面，蛋白质组学分析揭示了关键作用机制。研究发现，催化剂处理后的细菌细胞膜通透性显著降低（膜电位上升约0.8V），同时干扰了能量代谢关键酶的活性。特别是核糖体蛋白S10和拓扑异构酶IV的翻译量下降超过60%，表明催化剂通过破坏细菌的翻译系统和DNA修复机制实现基因沉默。此外，活性氧的定向释放模式被发现能有效抑制质粒交换所需的膜蛋白复合体（如FtsH和OmpF），从物理化学层面阻断基因水平转移。

工程应用方面，研究团队开发了模块化反应装置。该装置采用流化床设计，实现了催化剂与污染物的充分接触（接触时间≥120秒），并通过在线监测系统实时控制pH值（维持6.8±0.3）和溶解氧浓度（控制在5-8mg/L）。中试实验显示，单台设备每天可处理50吨含抗生素废水，出水达到国家地表水IV类标准，处理成本较传统工艺降低约35%。特别在长期运行稳定性方面，经过2000小时连续运行，催化剂活性保持率超过85%，仅比新催化剂活性下降15%，这主要得益于Cu-CD的稳定表面官能团（含氧官能团密度维持初始值的92%）。

环境效益评估显示，该技术可使受污染水体中抗生素浓度降低两个数量级，耐药菌密度下降三个数量级，基因拷贝数减少4个数量级。与常规高级氧化工艺相比，污染物完全矿化时间缩短60%，副产物生成量减少70%。经济性分析表明，每吨处理成本约为传统活性氧工艺的1/3，主要得益于生物质碳源的廉价供应（原料成本降低至市场价的12%）和模块化反应器的规模化生产优势。

未来研究方向主要集中在催化剂的再生技术和规模化应用优化。实验表明，经过5次循环处理后，催化剂对OTC的降解效率仍保持75%以上，这主要归因于Cu-CD的优异循环稳定性（循环10次后表面形貌变化小于5%）。研究团队正在开发基于微流控的自动再生系统，通过周期性水洗（流速控制0.5-1.0m/s）和短暂酸化（pH=2.5维持30秒）实现催化剂再生，目前实验室再生效率可达85%以上。

该成果在环境工程领域具有里程碑意义，首次将生物质碳材料与半导体异质结结合，开辟了光驱动硫酸根自由基生成的新途径。根据生命周期评估（LCA）结果，该技术相比传统氧化工艺减少碳排放42%，固体废物产生量降低至原来的1/5。研究提出的"光-电-催"多模态协同机制，为解决抗生素污染难题提供了理论框架和实践范式，相关技术已进入中试阶段，预计2026年可实现产业化应用。